Устройство для измерения напряжённости электрического поля

Авторы патента:

Болдырев Александр Ильич (RU)

Кемаев Роман Вячеславович (RU)

Иванов Владимир Николаевич (RU)

Коровин Виктор Яковлевич (RU)

Швырёв Юрий Николаевич (RU)

Панов Виктор Николаевич (RU)

Вязилов Александр Евгеньевич (RU)

Памухин Константин Владимирович (RU)

Меляшинский Алексей Вячеславович (RU)

Болотских Василий Полуэктович (RU)

G01R29/00 - Устройства для измерения или индикации электрических величин, не отнесенные к группам G01R 19/00-G01R 27/00

Владельцы патента RU 2611586:

Федеральное государственное бюджетное учреждение Научно-производственное объединение "Тайфун" (RU)

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано для измерений напряженности электрического поля атмосферы при проведении метеорологических, геофизических и радиофизических исследований, а также для оценки экологического состояния атмосферы и поверхности Земли, в частности при исследовании естественного и антропогенного электромагнитных фонов земной атмосферы. Устройство содержит приемную антенну, соединенную с общей точкой встречно включенных варикапов, аноды которых подключены ко вторичной обмотке трансформатора, к первичной обмотке которого подключен генератор модулирующего напряжения, и систему регистрации. Кроме того, устройство содержит управляемый источник ЭДС, вход которого соединен с выходом системы регистрации, а выход соединен со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, причем вход системы регистрации соединен с приемной антенной через полосовой усилитель. Технический результат заключается в увеличении ширины динамического диапазона устройства для измерения напряженности электрического поля. 1 ил.

Известно устройство для измерения напряженности электрического поля [АС СССР №203781, МПК G01R], содержащее сегнето-электрический датчик, выполненный в виде двух удлиненных пластин с электродами возбуждения, расположенными на боковых поверхностях сегнето-электрических пластин. Ширина динамического диапазона данного устройства определяется величиной отношения максимального и минимального (начального) диэлектрических проницаемостей применяемого сегнетоэлектрика, так называемым коэффициентом эффективной нелинейности, который для известных материалов не превышает 35 дБ.

Известно широкополосное устройство для измерения напряженности электрического поля [патент РФ №2485528, МПК G01R 29/00], содержащее электрическую мостовую схему, в противоположные плечи которой включены последовательно соединенные вариконды и источники электрического смещения, а в другие противоположные плечи мостовой схемы включены конденсаторы постоянной емкости. К входной диагонали мостовой схемы подключена электрическая антенна. Параллельно входной диагонали мостовой схемы последовательно между собой включены электронный коммутатор и низкоомный резистор. К выходной диагонали мостовой схемы подключен синхронный детектор. Недостатком данного устройства для измерения напряженности электрического поля является недостаточная ширина динамического диапазона, обусловленная диэлектрическим насыщением варикондов в условиях сильных электрических полей, создаваемых, например, облачностью.

Наиболее близким по технической сущности является датчик для измерения напряженности электрического поля [Electric Field Detection Using Solid State Variable Capacitance // Proceedings of the 2014 ESA Annual Meeting on Electrostatics: Труды ежегодного собрания по электростатике ESA. - 2014 г. - http://vvww.electrostatics.org/images/ESA_2014_D_Noras.pdf], содержащий приемную антенну, к которой подключены варикапы, включенные в параллельные ветви электрической схемы встречно друг другу, трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к варикапам, а первичная - к генератору модулирующего напряжения. К средней точке вторичной обмотки трансформатора подключается нагрузочный резистор.

Недостатком данного датчика для измерения напряженности электрического поля является малая ширина динамического диапазона, обусловленная малым диапазоном напряжений, при которых меняется емкость варикапов. Типичное значение ширины этого диапазона для существующих варикапов 10-15 дБ.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание устройства для измерения напряженности электрического поля, позволяющее проводить с его помощью измерения слабых вариаций напряженности электрического поля атмосферы на фоне значительных постоянной и низкочастотных спектральных составляющих.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение ширины динамического диапазона устройства для измерения напряженности электрического поля.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее приемную антенну, соединенную с общей точкой встречно включенных варикапов, аноды которых подключены ко вторичной обмотке трансформатора, к первичной обмотке которого подключен генератор модулирующего напряжения, и систему регистрации введен управляемый источник ЭДС, вход которого соединен с выходом системы регистрации, а выход соединен со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, причем вход системы регистрации соединен с приемной антенной через полосовой усилитель.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения напряженности электрического поля.

Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит приемную антенну 1, варикапы 2-3, трансформатор 4, генератор модулирующего напряжения 5, полосовой усилитель 6, систему регистрации 7, содержащую АЦП 8, микроконтроллер 9, выходной интерфейс 10, управляемый источник ЭДС 11, содержащий масштабирующий усилитель 12 и ЦАП 13.

Устройство для измерения напряженности электрического поля работает следующим образом. При внесении приемной антенны 1 в измеряемое электрическое поле на варикапах 2-3 образуется индуцированный полем заряд, величина которого пропорциональна напряженности этого поля. Этот заряд модулируется посредством модуляции емкости варикапов 2-3 при помощи подачи на них знакопеременного напряжения с генератора модулирующего напряжения 5 через трансформатор 4. Модуляция заряда приводит к возникновению переменного тока на входе полосового усилителя 6. Это приводит к возникновению на выходе полосового усилителя 6 напряжения, амплитуда которого пропорциональна измеряемой напряженности электрического поля. Выход полосового усилителя 6 подключен к системе регистрации 7, выход которой, в свою очередь, подключен к входу управляемого источника ЭДС 11. Система регистрации 7 осуществляет оцифровку сигнала с полосового усилителя 6 при помощи АЦП 8. Далее оцифрованный сигнал поступает на микроконтроллер 9, где происходит выделение рабочей полосы частот этого сигнала, его демодуляция и вычисление напряженности электрического поля по формуле:

E₀=k₁U_A+k₂U_D,

где U_A - амплитуда напряжения на входе АЦП 8;

U_D - амплитуда напряжения на выходе ЦАП 13 управляемого источника ЭДС 11;

k₁ и k₂ - соответствующие коэффициенты пропорциональности, определяемые при калибровке.

Сигнал с выхода ЦАП 13 управляемого источника ЭДС 11 попадает на вход масштабирующего усилителя 12. Масштабирующий усилитель 12, помимо масштабирования сигнала с выхода ЦАП 13, осуществляет заземление средней точки трансформатора через свое малое выходное сопротивление. Вычисленное значение напряженности электрического поля передается на выходной интерфейс 10. При подаче напряжения с выхода управляемого источника ЭДС 11 на среднюю точку трансформатора 4 на варикапах 2-3 индуцируется дополнительный заряд того же знака, что и подаваемое напряжение, пропорциональный по величине амплитуде этого напряжения. Отсюда следует, что при изменении напряжения управляемого источника ЭДС 11 можно добиться ослабления напряженности поля внутри варикапов 2-3, что позволяет исключить их насыщение при наличии полей больших напряженностей. При мониторинге напряженности электрического поля атмосферы микроконтроллер 9 управляет амплитудой напряжения на выходе управляемого источника ЭДС 11, меняя ее вслед за измеряемым полем, тем самым обеспечивая малый диапазон изменения суммарной напряженности электрического поля внутри варикапов в пределах линейного участка кривой изменения их емкостей. По сравнению с прототипом ширина динамического диапазона увеличивается с 10-15 дБ до 100 дБ.

Следовательно, предлагаемое устройство в отличие от прототипа позволяет проводить измерения слабых вариаций напряженности электрического поля атмосферы на фоне значительных постоянной и низкочастотных спектральных составляющих.

Устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее приемную антенну, соединенную с общей точкой встречно включенных варикапов, подключенных ко вторичной обмотке трансформатора, к первичной обмотке которого подключен генератор модулирующего напряжения, и систему регистрации, отличающееся тем, что в него введен управляемый источник ЭДС, вход которого соединен с выходом системы регистрации, а выход соединен со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, причем вход системы регистрации соединен с приемной антенной через полосовой усилитель.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электростатических полей различных заряженных материалов и изделий.

Устройство наложения контрольного тока // 2606373

Устройство предназначено для использования в составе автоматики определения и контроля параметров электрической сети среднего напряжения и настройки контура нулевой последовательности посредством создания искусственного возмущения кратковременного действия.

Радиоизмерительная установка для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных целей // 2600491

Радиоизмерительная установка для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных целей содержит передатчик, двойной тройник, переменную комплексную нагрузку, приемник, приемно-передающую антенну, опору цели и компенсационную опору, причем выход передатчика соединен с входом одного Н плеча волноводного тройника, выход которого соединен со входом приемно-передающей антенны, выход другого Н плеча волноводного тройника соединен с входом-выходом переменной комплексной согласованной нагрузки, кроме того, выход Е плеча волноводного тройника соединен со входом приемника.

Устройство измерения флуктуаций набега фазы и углов прихода микроволн // 2595247

Изобретение относится к области техники электрических измерений и может быть использовано при изучении распространения микроволн на открытых атмосферных трассах. В основу изобретения поставлена задача увеличения точности измерения флуктуации набега фаз и углов прихода микроволн, при исследовании их распространения от одной точки измерительной трассы к другой.

Способ увеличения дальности системы многоабонентной радиочастотной идентификации // 2594333

Способ увеличения дальности действия системы многоабонентной радиочастотной идентификации относится к области радиотехники и может быть использован при организации идентификации одновременно нескольких объектов. Новым в способе многоабонентной радиочастотной идентификации является включение в состав транспондеров, устанавливаемых на объектах идентификации однопортовых радиочастотных усилителей и управляемых фазовращателей проходного типа. Антеннами транспондеров радиочастотные колебания от считывающего устройства принимают и пропускают в первый раз через управляемый фазовращатель проходного типа.

Способ определения значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя и устройство для его осуществления // 2593646

Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использованы для определения частотных характеристик средств измерения параметров вибрации. Устройство для осуществления способа определения значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя содержит колебательную систему, состоящую из пьезоэлектрического вибропреобразователя и рабочего тела, прикрепленный к рабочему телу пьезоэлектрический вибратор, подсоединенный к нему генератор импульсных электрических сигналов с регулировкой импульса по длительности и амплитуде и подключенный к вибропреобразователю блок регистрации со схемой для преобразования Фурье выходного сигнала пьезоэлектрического вибропреобразователя.

Устройство измерения амплитудно-временных и частотных параметров сигналов // 2592730

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в цифровых осциллографах, панорамных радиоприемниках и в аппаратуре мониторинга и анализа параметров источников радиоизлучений.

Способ измерения потерь в обтекателе // 2587687

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при радиотехнических испытаниях обтекателей радиолокационных станций. Измерения потерь в обтекателях проводятся серией из N измерений уровня сигнала Е0j падающей плоской ЭМВ в диапазоне длин волн λ0±Δλ на выходе измерительной антенны без обтекателя и серией из N измерений уровня Ei сигнала на выходе антенны с установленным обтекателем (измерительная антенна замещается системой антенна-обтекатель) с последующей математической обработкой результатов.

Способ оценки качества электромагнитного экранирования узла уплотнения отверстия в электропроводящем экране с закрывающей его электропроводящей конструкцией // 2579176

Изобретение относится к экранировке аппаратов или их деталей от электрических или магнитных полей и может быть использовано для контроля эффективности электромагнитного экранирования корабельных помещений, защищенных от преднамеренных электромагнитных воздействий.

Приспособление для снятия характеристик свч-устройств // 2577805

Изобретение относится к электротехнической, радиотехнической, электронной областям промышленности и может быть использовано в процессе настройки или проверки работоспособности СВЧ-устройства (нескольких СВЧ-устройств) для снятия его (их) характеристик в широком частотном диапазоне.

Электрометр // 2615038

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения электрических зарядов обоих знаков, включая высоковольтные заряды статического электричества, образующиеся в потоках движущихся диэлектрических жидкостей, например светлых нефтепродуктов. Электрометр содержит конденсатор, подключенный между входными шинами электрометра. С целью исследования высоковольтных зарядов, конденсатор одним выводом подключен напрямую на общий провод (к заземлению), а вторым выводом к коммутирующему ключу через последовательно включенный ограничительный резистор. При этом электрометр имеет второй ключ, который включен параллельно с конденсатором для его разряда. Электрометр также содержит усилитель с высокоомным входом, подключенный к конденсатору, микроконтроллер, подключенный к усилителю, обеспечивающий функцию аналого-цифрового преобразователя, вычислителя, интегратора, хранящего в памяти и передающего результат измерения на выход и осуществляющего управление указанными ключами. Между входными цепями и остальной схемой включен блок искрозащиты на диодах (стабилитронах). Технический результат заключается в повышении точности и уменьшении времени измерений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.